CN112039131A - 一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法及系统,本发明在现有的虚拟同步机控制算法中进行改进,增加单相有功电流反馈,根据反馈的单相有功电流和有功电流反馈系数,实现根据需要按比例分配负载功率和下垂支撑功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法及系统,属于变换器控制的技术领域。
背景技术
在智能电网的构建过程中,越发强调负载侧的需求响应在电力系统的频率与电压调节中的重要作用。按当前发展趋势,越来越多的负载将通过电力电子变换器接入电网。譬如,大多数电机需要配备含有电机电子器件的驱动器,个人计算机需要整流器将交流电转变为稳定的直流电等等。因此,智能电网的建设中需要研究一种具有良好网荷互动性的统一负载接口以适应发展需求。进一步地,随着社会生产的发展,越来越多的大功率负载不断出现,如有轨电车、当前发展迅速的电动汽车等等,这些大功率负载对电力电子变换器的容量提出了更高的要求。受限于电力电子器件自身的耐流/耐压能力,单一的整流器很可能难以满足大功率应用需求,且可靠性不高。相比于使用电力电子器件做并联扩容时存在的难以解决的均流问题,研究整流器的模块化并联技术是一条更好的解决思路。因此,研究这种统一负载接口的并联技术具有重要意义。
虚拟同步机技术将电力电子变换器按传统同步机的方式进行建模并控制,可以给电网提供阻尼和惯性支撑,并且当电网发生频率和电压波动时,可主动调节电力电子变换器输出的有功功率和无功功率,从而实现良好的电网和负荷之间的互动。因此,基于虚拟同步机的三相PWM整流器可满足上述的统一负载接口提出的要求。然而,基于虚拟同步机的三相PWM整流器并联系统的功率分配是一个难题。
发明内容
本发明提供了一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法及系统,解决了背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法,包括,
采用虚拟同步机控制算法,控制双机并联系统的各整流器;
响应于双机并联系统工作于功率跟随模式,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现负载功率分配;
响应于双机并联系统工作于下垂控制模式,根据所需提供的有功支撑功率计算各整流器直流侧电压下垂指令,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现下垂控制模式下有功功率的分配。
采集整流器电网侧的电压和电流,根据电压和电流,提取整流器电网侧单相有功电流。
采集整流器电网侧的电压和电流,根据电压和电流,提取整流器电网侧单相有功电流,具体过程为,
采集整流器电网侧的电压和电流;
采集整流器电网侧的电压和电流,根据电压和电流,提取整流器电网侧单相有功电流,具体过程为,
采集整流器电网侧的电压和电流;
获取电压的有效值V;
以电压定向,对采集的电压和电流进行dq变换,获得电压的d轴分量ud和电流的d轴分量Id;
根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,具体过程为,
将Vref-KacIp-V0作为重构虚拟同步机控制算法中PI调节的输入,重构整流器的虚拟电磁转矩;其中,Vref、V0均为虚拟同步机控制算法原有的输入参数,分别为参考直流电压和直流侧输出电压;Kac、Ip分别为整流器有功电流反馈系数和单相有功电流。
根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,具体过程为,
将Vref+Vdroop-KacIp-V0作为重构虚拟同步机控制算法中PI调节的输入,重构整流器的虚拟电磁转矩;其中,Vref、V0均为虚拟同步机控制算法原有的输入参数,分别为参考直流电压和直流侧输出电压;Kac、Ip分别为整流器有功电流反馈系数和单相有功电流;Vdroop为整流器直流侧电压下垂指令。
整流器直流侧电压下垂指令计算公式为,
其中,Vdroop为整流器直流侧电压下垂指令,Vref为参考直流电压,ΔP=Kf(ωg-ωr)为所需提供的有功支撑功率,Kf为频率有功下垂系数,ωg为电网实际角频率,ωr为参考电网角频率,Rload为负载电阻。
一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配系统,包括,
同步机控制模块:采用虚拟同步机控制算法,控制双机并联系统的各整流器;
负载功率分配模块:响应于双机并联系统工作于功率跟随模式,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现负载功率分配;
下垂支撑功率分配模块:响应于双机并联系统工作于下垂控制模式,根据所需提供的有功支撑功率计算各整流器直流侧电压下垂指令,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现下垂控制模式下有功功率的分配。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法。
本发明所达到的有益效果:本发明在现有的虚拟同步机控制算法中进行改进,增加单相有功电流反馈,根据反馈的单相有功电流和有功电流反馈系数,实现根据需要按比例分配负载功率和下垂支撑功率。
附图说明
图1为现有双机并联系统的结构;
图2为包含有功电流反馈的三相PWM整流器的虚拟同步机控制框图;
图3为包含下垂控制环路的三相PWM整流器的虚拟同步机控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,双机并联系统中各台三相PWM整流器(后续简称“整流器”)采用三相全桥拓扑结构,使用了六个IGBT作为电力电子开关器件,交流侧采取LCL型滤波电路滤除高频电流谐波,直流侧采用大电容进行稳压。整个系统由交流电网、LCL滤波电路、三相整流桥和负载四部分组成;其中va、vb、vc是三相电网电压,igaj、igbj、igbj(j=1,2,整流器标号)是整流器的网侧电流,icaj、icbj、icbj是整流器的变换器侧电流,eaj、ebj、ecj是整流器的桥臂中点电压,Lgj和Rgj分别是网侧滤波电感和其附加电阻,Lcj和Rcj分别是变换器侧滤波电感和其附加电阻,Cfj和Rdj分别是LCL滤波电路电容支路的滤波电容和阻尼电阻,Q1j~Q6j为6个含反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT),Cj为直流侧稳压电容,Rload为负载电阻,V0为整流器并联系统的直流侧输出电压。
上述双机并联系统功率分配方法,包括:
步骤1,采用虚拟同步机控制算法,控制双机并联系统的各整流器,使整流器具备同步电机的阻尼和惯量特性,使双机并联系统可工作于功率跟随模式和下垂控制模式。
如图2(不包含虚线框),虚拟同步机控制算法为现有的方法,包括有功环、无功环和核心计算环节。有功环、无功环和核心计算环节实现对整流器的虚拟同步控制,使三相PWM整流器具备类似同步电机的阻尼和惯量特性,具体如下:
首先对比式(1)所示的同步电动机的摇摆方程,在整流器的控制中引入虚拟惯量J、虚拟转速ω、虚拟电磁转矩Te、虚拟机械转矩Tm、虚拟阻尼Dp、电网实际角频率ωg;
其中,电网实际角频率ωg由PLL锁相环获取,虚拟机械转矩Tm由参考直流电压Vref与直流电压V0的反馈值经PI调节后得到,虚拟电磁转矩Te由同步电机的电磁暂态关系得到,由式(2)进行计算:
接着对比式(2)所示同步电动机的励磁方程,在整流器的控制中引入虚拟励磁磁链Mfif和无功调节系数K。Qref是参考无功功率,一般情形下设置为零,以实现整流器的单位功率因数运行。Q是实际的整流器瞬时无功功率,由式(4)进行计算而得:
式中的va、vb、vc由电压传感器采样得到。
最后,通过式(5)计算整流器控制中所需的调制波;
步骤2,响应于双机并联系统工作于功率跟随模式,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现负载功率分配。
在虚拟同步机控制的基础上,增加有功电流反馈环节以实现并联系统中的各台整流器按比例分配负载功率,即图2中的虚线框部分,具体过程如下:
S21)采集整流器电网侧的电压和电流,根据电压和电流,提取整流器电网侧单相有功电流;
具体的提取过程有以下两种:
2)采集整流器电网侧的电压和电流;
S22)将获取的单相有功电流进行反馈;
各台整流器的有功电流反馈系数Kac按所需承担的负载功率成反比进行设定,如希望整流器1与整流器2承担的负载功率呈2:1的比例关系,则有功电流反馈系数应设置为1:2,同时,为确保整流器不过调制,对Kac进行了限制,具体限制准则如下:
S23)重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩;
将Vref-KacIp-V0作为重构虚拟同步机控制算法中PI调节的输入,重构整流器的虚拟电磁转矩;其中,Vref、V0均为虚拟同步机控制算法原有的输入参数,分别为参考直流电压和直流侧输出电压;Kac、Ip分别为整流器有功电流反馈系数和单相有功电流。
步骤3,响应于双机并联系统工作于下垂控制模式,根据所需提供的有功支撑功率计算各整流器直流侧电压下垂指令,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现下垂控制模式下有功功率的分配。
如图3所示,当电网发生频率和电压波动,基于虚拟同步机的双机并联系统将工作于下垂控制模式,通过调整并联系统的有功功率和无功功率以实现对电网的支撑。为使得各整流器按比例分配下垂支撑功率,具体步骤如下:
31)确定并联系统中各台整流器的直流侧电压下垂指令;
当电网发生频率波动需要基于虚拟同步机的整流器双机并联系统给予有功支撑时,先计算所需提供的有功支撑功率ΔP;
ΔP=Kf(ωg-ωr)
其中,ωg为电网实际角频率,可由PLL锁相环对电网电压锁相得到,ωr为参考电网角频率,设定为100πrad/s,Kf为频率有功下垂系数,可依据实际需要进行设定,如频率下降0.1Hz,需要有功功率下降额定功率Pn的10%,则
32)根据有功支撑功率ΔP,计算直流侧电压下垂指令;
其中,Vdroop为整流器直流侧电压下垂指令,Vref为参考直流电压,Rload为负载电阻,并联系统中各台整流器应设定相同的直流侧电压下垂指令。
33)确定并联系统中各台整流器的电压无功下垂系数,以实现电网电压发生波动时,各台整流器可按比例地分配无功支撑功率。
对于有功的下垂支撑功率,其改变的是整个系统的负载功率,而负载功率的分配是通过有功电流反馈法实现的,其相当于负载功率的特殊构成部分,但仍然遵守有功电流反馈法之下的负载功率分配,即图3中虚线框图部分。
即将Vref+Vdroop-KacIp-V0作为重构虚拟同步机控制算法中PI调节的输入,重构整流器的虚拟电磁转矩;其中,Vref、V0均为虚拟同步机控制算法原有的输入参数,分别为参考直流电压和直流侧输出电压;Kac、Ip分别为整流器有功电流反馈系数和单相有功电流;Vdroop为整流器直流侧电压下垂指令。
下垂控制模式中还包括无功的下垂支撑功率分配,对于无功的下垂支撑功率,其不属于负载功率,通过无功环进行控制的,即通过设置电压无功下垂系数实现对无功的下垂支撑功率进行分配。
无功的下垂支撑功率分配和现有的分配方法一致。先计算并联系统所需提供的无功支撑功率ΔQ;
ΔQ=Kv12(V-Vr)
式中,V为实际电网电压有效值,由电压传感器采样并进行信号处理得到,Vr为参考电网电压有效值,设定为220V。Kv12为系统总的电压无功下垂系数,可依据实际需要进行设定,如电压下降10V,需要发出10%额定功率Pn大小的感性无功功率,则
并联系统中各台整流器的电压无功下垂系数应按所需承担的无功支撑功率的正比进行设定,如希望整流器1与整流器2承担的无功支撑功率呈1:2的比例关系,则电压无功下垂系数应设置为1:2。
上述方法在现有的虚拟同步机控制算法中进行改进,功率跟随模式下的控制中增加了单相有功电流反馈(即图2的虚线框部分),实现根据需要按比例分配负载功率,下垂控制模式下增加了单相有功电流反馈(即图3的虚线框部分,和图2的一致)并引入了直流侧电压下垂指令Vdroop,实现根据需要按比例分配有功、无功的下垂支撑功率。
一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配系统,包括,
同步机控制模块:采用虚拟同步机控制算法,控制双机并联系统的各整流器;
负载功率分配模块:响应于双机并联系统工作于功率跟随模式,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现负载功率分配;
下垂支撑功率分配模块:响应于双机并联系统工作于下垂控制模式,根据所需提供的有功支撑功率计算各整流器直流侧电压下垂指令,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现下垂控制模式下有功功率的分配。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法。
一种计算设备,包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序,其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个程序包括用于执行基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法的指令。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法,其特征在于:包括,
采用虚拟同步机控制算法,控制双机并联系统的各整流器;
响应于双机并联系统工作于功率跟随模式,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现负载功率分配;
响应于双机并联系统工作于下垂控制模式,根据所需提供的有功支撑功率计算各整流器直流侧电压下垂指令,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现下垂控制模式下有功功率的分配。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法,其特征在于:采集整流器电网侧的电压和电流,根据电压和电流,提取整流器电网侧单相有功电流。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法,其特征在于:根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,具体过程为,
将Vref-KacIp-V0作为重构虚拟同步机控制算法中PI调节的输入,重构整流器的虚拟电磁转矩;其中,Vref、V0均为虚拟同步机控制算法原有的输入参数,分别为参考直流电压和直流侧输出电压;Kac、Ip分别为整流器有功电流反馈系数和单相有功电流。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配方法,其特征在于:根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,具体过程为,
将Vref+Vdroop-KacIp-V0作为重构虚拟同步机控制算法中PI调节的输入,重构整流器的虚拟电磁转矩;其中,Vref、V0均为虚拟同步机控制算法原有的输入参数,分别为参考直流电压和直流侧输出电压;Kac、Ip分别为整流器有功电流反馈系数和单相有功电流;Vdroop为整流器直流侧电压下垂指令。
9.一种基于虚拟同步机的双机并联系统功率分配系统,其特征在于:
同步机控制模块:采用虚拟同步机控制算法,控制双机并联系统的各整流器;
负载功率分配模块:响应于双机并联系统工作于功率跟随模式,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流和预设的各整流器有功电流反馈系数,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现负载功率分配;
下垂支撑功率分配模块:响应于双机并联系统工作于下垂控制模式,根据所需提供的有功支撑功率计算各整流器直流侧电压下垂指令,提取的各整流器电网侧单相有功电流,根据各整流器电网侧单相有功电流、预设的各整流器有功电流反馈系数以及各整流器直流侧电压下垂指令,重构虚拟同步机控制算法中各整流器的虚拟电磁转矩,实现下垂控制模式下有功功率的分配。
10.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,其特征在于:所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行根据权利要求1至8所述的方法中的任一方法。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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